中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 和永康 楊其長 張 義 方 慧 柯行林 魏曉然 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 摘 要 針對直膨式太陽能熱泵所集熱能利用率低 溫室加溫不足的問題 采用直膨式太陽能熱泵為集熱系統(tǒng) 根 際 空氣加溫為放熱系統(tǒng) 對大跨度主動(dòng)蓄能型溫室在不同天氣僅根際加溫和根際與空氣同時(shí)加溫的加溫效果 集 放熱系統(tǒng)運(yùn)行性能 集熱效率 熱能利用率 節(jié)能率和集熱系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模式進(jìn)行研究 結(jié)果表明 連續(xù)陰 天和連續(xù)晴天 放熱系統(tǒng)的熱能利用率分別高于 和 不同天氣試驗(yàn)區(qū)的根際溫度在 以上 比對照區(qū)高 空氣溫度在 以上 比對照區(qū)高 相對濕度在 以下 比對照區(qū)低 不 同天氣整套系統(tǒng)的節(jié)能率 在 以上 性能系數(shù)在 以上 不同天氣集熱系統(tǒng)均能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè) 定集熱溫度目標(biāo) 且其集熱性能系數(shù) 在 以上 其集熱效率在 以上 集熱系統(tǒng) 隨太陽輻射強(qiáng)度的增大 從 增大至 集熱系統(tǒng)的集熱性能系數(shù)均高于 以后 蓄熱水池水溫高于 時(shí) 集熱性能系數(shù)由 最終降至 該研究表明根際與空氣結(jié)合的加溫方式不僅提高 了溫室加溫效果 還提高了熱能利用率和直膨式太陽能熱泵的集熱性能 此外 根據(jù)集熱條件調(diào)節(jié)集熱系統(tǒng)的運(yùn) 行模式 可提高集熱性能 達(dá)到溫室加溫節(jié)能的目的 關(guān)鍵詞 大跨度溫室 直膨式太陽能熱泵 溫室加溫 性能系數(shù) 運(yùn)行模式 根際加溫 中圖分類號(hào) 文章編號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 收稿日期 基金項(xiàng)目 基本科研業(yè)務(wù)費(fèi) 科技部國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目 第一作者 和永康 碩士研究生 通訊作者 張義 副研究員 博士 主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程研究 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 溫室是一種重要的設(shè)施栽培結(jié)構(gòu)形式 截至 年底 我國溫室總面積達(dá) 萬 其中塑 料大棚 萬 占總面積的 日光溫室 萬 占總面積的 連棟溫室 萬 占總面積的 溫室是一種高能耗的抗 逆性生產(chǎn)設(shè)施 據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì) 全世界每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 能耗量的 用于溫室加溫 其費(fèi)用約占溫室能耗 總費(fèi)用的 因此 在溫室生產(chǎn)規(guī)模 不斷擴(kuò)大的今天 降低溫室加溫能耗 提高能源利 用效率 是溫室可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵 目前常見的溫室加溫方式有 通過化石能源燃 燒加溫 電加溫 太陽能加溫 其中 化石 能源是一次能源 其燃燒放熱的同時(shí)產(chǎn)生大量有毒 有害物質(zhì) 難以滿足溫室可持續(xù)發(fā)展的需求 電 能本身為二次能源 其加溫成本高 轉(zhuǎn)化率低 通常 僅被用于臨時(shí)加溫或應(yīng)用于育苗加溫 太陽能是一 種清潔的可再生能源 但其受地理位置 時(shí)間和 氣象條件的限制 難以應(yīng)對設(shè)施溫室極端天氣的加 溫需求 為此國內(nèi)外對太陽能用于溫室加溫進(jìn) 行了大量研究 其中 太陽能與熱泵結(jié)合的技術(shù) 因其不僅能提高太陽能集熱器的集熱效率 而且能 提高熱泵系統(tǒng)的性能 因此被視為是一種可靠的溫 室加溫方式 作物的生長發(fā)育同時(shí)受到地溫和氣溫的雙重作 用 為探明對作物加溫的效果 已有研究對作物 根際和地上部分進(jìn)行了加溫研究 研究結(jié)果表明 作物根際加溫 提高了根際溫度 從而提高了作 物的根系活性 增加了根系對水分和養(yǎng)分的吸收 作 物地上部分加溫 提高了溫室空氣溫度 增加了 作物光合作用產(chǎn)物的積累和運(yùn)輸 提高了作物的產(chǎn) 量和品質(zhì) 周升等 在充分考慮大跨度主動(dòng)蓄能型溫室 結(jié)構(gòu)和栽培模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套直膨式太陽能 熱泵 根際增溫系統(tǒng)用于溫室加溫 試驗(yàn)結(jié)果表明 夜間根際溫度能維持在 夜間空氣溫 度能維持在 熱泵機(jī)組的平均集熱性能 系數(shù) 為 但 蓄熱水池的放熱終止溫度即集熱起始溫度在 以上 所集熱量并未充分釋放 且已有研究證明過高 的集熱起始溫度會(huì)間接降低直膨式太陽能熱泵系統(tǒng) 的 為此 本研究在根際加溫研究的基礎(chǔ) 上增設(shè)空氣加溫裝置 同時(shí)優(yōu)化熱泵運(yùn)行模式 以期 提高所集熱能的利用效率 直膨式太陽能熱泵的 和節(jié)能率 為直膨式太陽能熱泵和根際及空氣 結(jié)合的加溫方式在溫室內(nèi)的應(yīng)用提供理論依據(jù) 材料與方法 試驗(yàn)系統(tǒng)及工作原理 試驗(yàn)在大跨度主動(dòng)蓄能型溫室內(nèi)進(jìn)行 試驗(yàn)溫 室集 放熱系統(tǒng)布置方式見圖 白天運(yùn)行直膨式 太陽能熱泵集熱 并將熱量儲(chǔ)存于蓄熱水池內(nèi) 夜 間通過根際加溫裝置和空氣加溫裝置加熱試驗(yàn)溫 室 直膨式太陽能熱泵以集熱器為蒸發(fā)端 循環(huán) 工質(zhì)進(jìn)行蒸發(fā)集熱 冷凝端通過蓄熱水池內(nèi)循環(huán) 水與循環(huán)主機(jī)內(nèi)冷凝器換熱 將熱量儲(chǔ)存到蓄熱 水池中 放熱系統(tǒng)以 循環(huán)管路為末端散熱方 式 通過循環(huán)水泵 和循環(huán)水泵 將蓄熱水池內(nèi) 熱水泵出散熱 集熱系統(tǒng) 集熱系統(tǒng)由直膨式太陽能熱泵 蓄熱水池 循環(huán) 水泵 和循環(huán)管路組成 直膨式太陽能熱泵的集 熱 蒸發(fā)器為合金材質(zhì) 表面涂有黑色涂層 規(guī)格為 板厚 板間距 板面與水 平面夾角 安裝于試驗(yàn)溫室外側(cè)空地 試驗(yàn)共安 裝 組 循環(huán)主機(jī)為壓縮機(jī) 冷凝器 節(jié)流閥的集 成體 其單臺(tái)功率為 蓄熱水池有效容積 循環(huán)水泵 的功率為 額定流量 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 年 第 卷 圖 試驗(yàn)溫室集 放熱系統(tǒng)布置圖 放熱系統(tǒng) 放熱系統(tǒng)由根際加溫裝置和空氣加溫裝置組 成 兩裝置以同一蓄熱水池為熱源 彼此獨(dú)立運(yùn)行 根際加溫裝置 由功率 額定流量為 的循環(huán)水泵 直徑 和 的 管 及管件組成 循環(huán)水泵 置于蓄熱水池底部 根際 加溫管道回型布置于基質(zhì)袋下方 空氣加溫裝置 由功率 額定流量為 的循環(huán)水泵 直徑 和 的 管及管件 不銹鋼金屬軟管 勾 鐵鏈 鐵絲組 成 循環(huán)水泵 置于蓄熱水池底部 空氣加溫管距 地面 懸掛于基質(zhì)袋正上方 兩加溫管間 由金屬軟管連接 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)溫室及測點(diǎn)布置 試驗(yàn)溫室為大跨度主動(dòng)蓄能型溫室 位于北京 市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可 持續(xù)發(fā)展研究所試驗(yàn)基地 緯 度 經(jīng) 度 溫室南北走向 長 跨度 脊 高 下沉 采用拱形鋼骨架結(jié)構(gòu) 中間 有單排立柱 覆蓋材料為單層 膜 配有綴鋁膜內(nèi) 保溫幕和外保溫被 南墻為厚度 的中空 陽 光板 北側(cè)復(fù)合墻體由外向內(nèi)依次為 紅磚 聚苯板 試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)設(shè)置 在溫室南北向的中部用雙 層 膜將溫室隔開 溫室北部為試驗(yàn)區(qū) 安裝根際 加溫裝置和空氣加溫裝置 溫室南部為對照區(qū) 僅安 裝根際加溫裝置 中間 膜卷放時(shí)間與外保溫被 卷放時(shí)間一致 溫室以起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培 的方式 種植番茄 品種為瑞粉 于 年 月 日定植 測點(diǎn)布置 在試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)分別距北墻 和 的東西截面 距地面 處的中心點(diǎn)處及兩 側(cè) 處 各布置 個(gè)空氣溫度測點(diǎn)和 個(gè)相對濕 度測點(diǎn) 在試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū) 對應(yīng)空氣溫度測點(diǎn)下方 基質(zhì)袋內(nèi)各布置 個(gè)根際溫度測點(diǎn) 在蓄熱水池的 幾何中心 集熱系統(tǒng)回水口 根際加溫裝置回水口 空氣加溫裝置回水口各布置 個(gè)水溫測點(diǎn) 在溫室 外距溫室 距地面 處布置 個(gè)溫度測點(diǎn) 個(gè)相對濕度測點(diǎn)和 個(gè)太陽輻射測點(diǎn) 試驗(yàn)儀器 相對 濕 度 測 試 采 用 美 國 文 森 公 司 生 產(chǎn) 的 智能溫濕度記錄儀 相對濕度測試精度為 溫度測試采用測量精度為 的銅 康 銅熱電偶 空氣溫度測點(diǎn)加裝自然通風(fēng)防輻射罩 水 溫及根際溫度測試探頭做防銹處理 太陽輻射強(qiáng)度 測試選用美國坎貝爾公司生產(chǎn)的 型太陽輻 射傳感器 溫度和太陽輻射數(shù)據(jù)采集 選用美國坎 貝爾公司生產(chǎn)的 數(shù)據(jù)采集間隔為 各用電設(shè)備的耗電量用德力西電氣有限公司生產(chǎn)的 電能表測試 精度等級(jí)為 級(jí) 集熱系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí) 間 采用 工作室提供的 通訊版 工業(yè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)長記錄儀 試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式 試 驗(yàn) 時(shí) 間 為 設(shè) 定 運(yùn)行集熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱 當(dāng)蓄熱水池 溫度達(dá)到 時(shí)停止運(yùn)行 在此期間 集熱系統(tǒng)的 運(yùn)行模式由時(shí)間和溫度協(xié)同控制 根際加溫裝置運(yùn) 行時(shí)間為 次日 空氣加溫裝置運(yùn)行時(shí) 間 次日 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 分析方法 集放熱系統(tǒng)性能分析 水平面太陽輻射強(qiáng)度由實(shí)驗(yàn)儀器測得 達(dá)到集 熱板面的太陽輻射強(qiáng)度可由水平面的太陽輻射強(qiáng)度 逐時(shí)計(jì)算得出 計(jì)算公式 如下 式中 為一年中第 天的赤緯角 為公歷一 年中的第幾天 從 月 日算起 為集熱板面與 水平面的輻射強(qiáng)度之比 為水平面的太陽輻射 強(qiáng)度 為 集 熱 板 面 的 太 陽 輻 射 強(qiáng) 度 為太陽的時(shí)角 為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?取 值 為集熱板面與水平面的夾角 取值 由式 計(jì)算得出達(dá)到集熱板面的太陽輻射強(qiáng) 度 則其總太陽輻射量為 式中 為到達(dá)集熱板面的總太陽輻射量 為集熱板面總面積 取值 分別為 集熱階段起 止時(shí)刻 為太陽輻射強(qiáng)度測試期間記 錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔 取值 集熱系統(tǒng)蓄積的總熱量和放熱系統(tǒng)釋放的總熱 量計(jì)算公式為 式中 為水的比熱容 取值 為水的密度 取值 為蓄熱水池 實(shí)際儲(chǔ)水量 取值 分別為蓄熱 水池在蓄熱階段和放熱階段的水溫變化量 分別為集熱系統(tǒng)蓄積的總熱量和放熱系統(tǒng)釋放 的總熱量 集熱系統(tǒng)的性能系數(shù) 集放熱系統(tǒng)的總性能系 數(shù) 集熱系統(tǒng)的集熱效率和所集熱能利用率計(jì)算公 式為 式中 分別為集熱系統(tǒng)和集放熱系統(tǒng) 總的性能系數(shù) 分別為根際加溫裝置和空 氣加溫裝置的耗電量 分別為集熱系統(tǒng) 和集放熱系統(tǒng)的總耗電量 為集熱系統(tǒng)集熱 效率 為所集熱能利用率 集熱系統(tǒng)在集熱過程中第 個(gè) 內(nèi)的平 均集熱性能系數(shù)可由下式計(jì)算 式中 為集熱系統(tǒng)在第 個(gè) 內(nèi)的平 均集 熱 性 能 系 數(shù) 為 集 熱 時(shí) 間 段 內(nèi) 的 第 個(gè) 為集熱系統(tǒng)在第 個(gè) 內(nèi)溫度變化量 為集熱系統(tǒng)在第 個(gè) 的耗電量 節(jié)能效果分析 由式 實(shí)際用于溫室加溫的熱量為 若以 電加熱方式產(chǎn)生 的熱量為基準(zhǔn) 即可知節(jié)能率 式中 為直膨式太陽能熱泵集熱和根際及空氣加 溫完成一次集放熱的節(jié)能率 結(jié)果與分析 加溫效果分析 根據(jù)設(shè)定的集放熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間 為便于分析 定義 次 日 為 選 取 連 續(xù) 陰 天 和連續(xù)晴天 的測 試數(shù)據(jù)進(jìn)行加溫效果分析 連續(xù)陰天溫室試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣 溫度比較 根際溫度對比 連續(xù)陰天 溫室試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣溫度變化見圖 可見 中試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)的根際溫度變化范圍 分別為 和 試驗(yàn)區(qū)與 對照區(qū)根際溫度變化幅度基本一致 根際溫度波動(dòng) 小 有利于作物根系生長和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收 根 際加溫必不可少 試驗(yàn)區(qū)根際溫度始終高于對照區(qū) 根際溫度 說明同時(shí)配備根際和空氣加溫裝置減少 了根際熱量向空氣散失 可將根際溫度保持在較高 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 年 第 卷 水平 此外 起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培的種植模式具有 一定的保溫蓄熱能力 因此晴天累積的熱量可用 于陰天的加溫 可部分彌補(bǔ)陰天能源供給不足 空氣溫度對比 由圖 可見 中非加溫期 間試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)空氣溫度變化趨勢基本一致 而 加溫期間試驗(yàn)區(qū)空氣溫度始終高于對照區(qū) 啟動(dòng)空氣加溫設(shè)備后試驗(yàn)區(qū)空氣溫度緩慢升高 到 時(shí)達(dá)到最大值 然后緩慢下降 這是因?yàn)檫B續(xù) 陰天條件下室內(nèi)白天蓄積熱量少 基礎(chǔ)溫度低 供熱 需求量大 放出同等熱量升溫能力有限 放出的熱量 在較短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到室內(nèi)溫度最高點(diǎn) 此后緩慢下 降 而對照區(qū)則持續(xù)緩慢下降 直至次日 試驗(yàn) 區(qū)與對照區(qū)空氣溫度降至最低 保溫被收起 空氣溫 度逐漸上升 圖 連續(xù)陰天試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣溫度隨時(shí)間的變化 連續(xù)晴天溫室試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣 溫度比較 根際溫度對比 連續(xù)晴天 試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣溫度變化見圖 可 見 中試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際溫度變化趨勢基本 一致 非加溫期間均在 時(shí)達(dá)到最低 和 在 時(shí)到達(dá)最高值 和 加溫期間在 達(dá)到最高值 和 而 后根際溫度緩慢下降 相比于前述連續(xù)陰天的情 況 連續(xù)晴天在非加溫期間與加溫期間 其最高和 最低溫度值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)均有不同程度的提前 這是因?yàn)榍缣焯栞椛鋵ΩH的增溫作用強(qiáng)于陰 天 根際升溫速度加快 縮短了根際達(dá)到溫度峰值 的時(shí)間 中 試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)的溫度變化范圍 分別為 和 根際溫 度環(huán)境比連續(xù)陰天更穩(wěn)定 這是因?yàn)榍缣焯栞?射對根際環(huán)境的增溫作用 提升了非加溫期間根 際溫度 并有部分熱量被儲(chǔ)存在基質(zhì)和包被基質(zhì) 的土壟內(nèi) 當(dāng)夜間根際溫度降低時(shí)這部分熱量自 然釋放用于根際增溫 保證了根際溫度環(huán)境的穩(wěn) 定性 空氣溫度對比 由圖 可見 中加溫期間 試驗(yàn)區(qū)的平均空氣溫度分別為 和 對照區(qū)的為 和 呈上升趨 勢 可知 溫室內(nèi)空氣前期溫度積累對后續(xù)空氣溫度 的提升有一定的影響 中 非加溫期間試驗(yàn)區(qū) 與對照區(qū)空氣溫度變化趨勢與連續(xù)陰天基本一致 日和 日 空氣溫度因通風(fēng)換氣 出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)相對 濕度比較 連 續(xù) 陰 天 和 連 續(xù) 晴 天 試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)相對濕度隨時(shí) 間變化見圖 可見 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天試驗(yàn)區(qū) 與對照區(qū)的相對濕度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致 且無論試驗(yàn)區(qū)還是對照區(qū) 連續(xù)晴天的相對濕度始 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 圖 連續(xù)晴天試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)根際及空氣溫度隨時(shí)間的變化 圖 連續(xù)陰天和晴天試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)相對濕度隨時(shí)間的變化 終低于連續(xù)陰天 無論是連續(xù)陰天還是連續(xù)晴天 試 驗(yàn)區(qū)的相對濕度始終低于對照區(qū) 連續(xù)陰天加溫 期間試驗(yàn)區(qū)的相對濕度均低于 對照區(qū)的 均低于 連續(xù)晴天加溫期間試驗(yàn)區(qū)的相對 濕度均低于 對照區(qū)的均低于 試 驗(yàn)結(jié)果表明 通過空氣加溫 可有效降低溫室內(nèi)相 對濕度 相比于連續(xù)陰天 連續(xù)晴天條件下相對濕 度下降更多 集放熱系統(tǒng)性能分析 集放熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表 直膨式太陽能熱 泵能同時(shí)吸取太陽輻射能和空氣能 在設(shè)定集熱運(yùn) 行模式下 相比于陰天 晴天所需的集熱時(shí)間更短 相應(yīng)集熱耗電量更少 這是因?yàn)橹迸蚴教柲軣岜?集熱效率會(huì)受到太陽輻射能的影響 太陽輻射強(qiáng)度 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 年 第 卷 表 集放熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù) 日期 天氣 集熱時(shí)間段 集熱起止溫度 放熱起止溫度 集熱耗電量 放熱耗電量 陰 陰 陰 晴 晴 晴 越大其集熱效率越高 種天氣下 放熱系統(tǒng)在 中的平均放熱終止溫度分別為 和 差 別不大 熱能利用充分 由式 得集熱板的總太陽輻射量 由 式 分別求得集熱系統(tǒng)總集熱量 放熱系 統(tǒng)總放熱量 集熱系統(tǒng)集熱性能系數(shù) 和整 套系統(tǒng)耗電量 由式 得集熱系統(tǒng)的集熱效 率 由此 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天集 放熱系統(tǒng)的能 量變化和性能系數(shù)經(jīng)計(jì)算匯總于表 連續(xù)陰天和 連續(xù)晴天達(dá)到集熱板的總太陽輻射平均值分別為 和 可見北京地區(qū)冬季晴天太陽輻 射強(qiáng)度較弱 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天平均集熱總量分 別為 和 可見不同天氣下 同一 設(shè)定運(yùn)行模式 集熱系統(tǒng)集熱總量基本一致 連續(xù) 陰天和連續(xù)晴天平均放熱總量分別為 和 可見相比于連續(xù)晴天 連續(xù)陰天放熱系 統(tǒng)放出的熱量大于連續(xù)晴天 這是因?yàn)檫B續(xù)陰天室 外溫度低溫室加溫?zé)嶝?fù)荷大 散熱量更大 連續(xù)陰 天整套系統(tǒng)耗電量大于連續(xù)晴天 這是因?yàn)檫B續(xù)陰 天太陽輻射強(qiáng)度和空氣溫度均低于連續(xù)晴天 導(dǎo)致 集熱時(shí)間變長耗電量增加 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天平 均集熱效率分別為 和 這是因?yàn)檫B 續(xù)陰天達(dá)到集熱板面的總太陽輻射量小于連續(xù)晴 天 而集熱系統(tǒng)所集熱能總量基本一致 可見直膨式 太陽能熱泵在吸取太陽輻射能的同時(shí)能吸取了大量 的空氣能 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天集熱系統(tǒng)的平均 表 集放熱系統(tǒng)的能量變化和能效比 日期 太陽總輻射 總集熱量 總放熱量 總耗電量 集熱效率 集熱性能系數(shù) 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 分別為 和 可見同一設(shè)定運(yùn)行模式 下 系統(tǒng)在連續(xù)晴天的 大于連續(xù)陰天 但差別 不明顯 由式 和 分別計(jì)算出整套系統(tǒng)的運(yùn) 行性能系數(shù) 放熱系統(tǒng)的熱能利用率 和整 套系統(tǒng)的節(jié)能率 由此 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天整 套系統(tǒng)的 熱能利用率 和節(jié)能率 見表 可見 連續(xù)陰天整套系統(tǒng)的平均 為 連 表 系統(tǒng)性能系數(shù)和節(jié)能性分析 日期 整套系統(tǒng)性能 熱能利用率 節(jié)能率 續(xù)晴天的為 連續(xù)晴天的值略高于連續(xù)陰天 可 見晴天對整套系統(tǒng)而言更節(jié)能 這是因?yàn)榍缣焯?輻射強(qiáng) 集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間短 耗電量少 連續(xù)陰天 的平均熱能利用率為 連續(xù)晴天 連 續(xù)陰天的熱能利用率高于連續(xù)晴天 這是因?yàn)檫B續(xù) 晴天蓄熱水池?zé)釗p失多 以及連續(xù)陰天環(huán)境溫度低 放熱系統(tǒng)散熱更充分 導(dǎo)致連續(xù)陰天熱能利用效率 更高 連續(xù)陰天的平均節(jié)能率為 連續(xù)晴天 的為 節(jié)能效果明顯 集熱系統(tǒng)運(yùn)行過程分析 陰天 和晴天 蓄熱水池 水溫 室外環(huán)境溫度和室外太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的 變化情況見圖 測試結(jié)果表明 集熱起始溫度 基本一致時(shí) 晴天達(dá)到設(shè)定集熱溫度目標(biāo)比陰天耗 時(shí)短 這是因?yàn)榍缣旒療釛l件優(yōu)于陰天 之 前 種天氣條件下蓄熱水池水溫變化趨勢基本一 致 之后晴天的蓄熱水池水溫上升速率明顯 高于陰天 這是因?yàn)殡S著集熱時(shí)間的推移 晴天的集 熱條件優(yōu)越性更明顯 集熱時(shí)間段內(nèi)室外太陽輻 射強(qiáng)度先增大后減小 室外環(huán)境溫度持續(xù)緩慢升高 而蓄熱水池水溫持續(xù)升至設(shè)定溫度目標(biāo) 這是因?yàn)?直膨式太陽能熱泵集熱器內(nèi)循環(huán)工質(zhì)沸點(diǎn) 低 只要環(huán)境溫度高于工質(zhì)沸點(diǎn)溫度即可 集熱 圖 不同天氣蓄熱水池溫度與室外溫度和太陽輻射強(qiáng)度的變化 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 年 第 卷 為進(jìn)一步提高集熱系統(tǒng)的集熱性能 選取晴天 集熱系統(tǒng)的集熱運(yùn)行參數(shù) 分析系統(tǒng)的 集熱性能系數(shù)與環(huán)境因素的關(guān)系 以優(yōu)化系統(tǒng)在不 同環(huán)境條件下的運(yùn)行模式 太陽輻射強(qiáng)度 集熱系統(tǒng)每 內(nèi)的平均集 熱性能系數(shù) 式 和蓄熱水池水溫在集熱運(yùn)行時(shí) 間內(nèi)的變化見圖 根據(jù)集熱性能系數(shù)隨太陽輻射強(qiáng) 度的變化特點(diǎn)將集熱過程分成 個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析 緩慢上升期 隨著集熱時(shí)間 的推移 太陽輻射強(qiáng)度 集熱性能系數(shù)和蓄熱水池溫 度均緩慢上升 其間太陽輻射強(qiáng)度由 增大至 集熱性能系數(shù)由 增大至 蓄熱水池水溫由 升高至 這一 時(shí)間段內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度逐漸增大 且此時(shí)蓄熱水池 水溫較低 已有研究表明較低的冷凝溫度有利于集 熱性能的提高 使得集熱性能系數(shù)隨太陽輻射強(qiáng) 度持續(xù)增大 迅速上升期 太陽輻射處于 最大值 兩側(cè) 集熱性能系數(shù)迅速增大 至最大值 蓄熱水池溫度迅速升高 期間太陽 輻射強(qiáng)度從 增大至最大值 然后降低至 集熱系統(tǒng)性能系數(shù)由 增大至最大值 蓄熱水池水溫為由 上升 至 此時(shí)間段內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度處于一天中 的較高水平 且蓄熱水池水溫仍較低 使得集熱性能 系數(shù)迅速增大 穩(wěn)定期 太陽輻射強(qiáng)度逐漸 降低 集熱性能系數(shù)基本保持不變 蓄熱 水池溫度逐漸升高 期間太陽輻射強(qiáng)度由 降低至 集熱性能系數(shù)由 緩慢降低至 蓄熱水池水溫由 升高 至 在此時(shí)間段內(nèi) 雖然太陽輻射略有降 低 且蓄熱水池水溫已接近設(shè)定溫度值 但是此時(shí)間 內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到了一天中的較高水平 而集熱系統(tǒng) 不僅能吸取太陽輻射能同時(shí)能吸取空氣能 因此能 保持集熱性能系數(shù)基本穩(wěn)定 下降期 集熱性能系數(shù)隨太 陽輻射強(qiáng)度的降低而持續(xù)降低 蓄熱水池溫度緩慢 升高 期間太陽輻射強(qiáng)度由 降低至 集熱性能系數(shù)由 在 降低至 降低至 降低至 降 低至 蓄熱水池水溫由 升高至 此時(shí)間段內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度持續(xù)下降 雖然室外空氣 溫度仍處于一天中的較高值但是此時(shí)蓄熱水池水溫 已達(dá)到設(shè)定值 使得集熱性能系數(shù)持續(xù)下降 通過以上分析 針對集熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式得到 以下結(jié)論 在太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度緩慢升高 的上午 當(dāng)蓄熱水池水溫低于 時(shí)運(yùn)行集熱 集 熱系統(tǒng)的 可隨太陽輻射強(qiáng)度的增大而增大至 在空氣溫度和太陽輻射強(qiáng)度較高的中午 當(dāng) 蓄熱水池水溫低于 時(shí)運(yùn)行集熱 則集熱系統(tǒng)的 在太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低 蓄熱水池 水溫高于 的下午運(yùn)行集熱時(shí) 集熱性能系數(shù)由 最終降低至 圖 集熱性能系數(shù)和蓄熱水池水溫隨太陽輻射強(qiáng)度的變化 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 討論與結(jié)論 本研究以直膨式太陽能熱泵為集熱系統(tǒng) 在 大跨度主動(dòng)蓄能型溫室內(nèi)對比分析了僅根際加溫 和根際及空氣同時(shí)加溫在連續(xù)陰天和連續(xù)晴天的 加溫效果 集 放熱運(yùn)行性能 并通過集熱系統(tǒng)分 析 提出了集熱系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模式 具體結(jié)論 如下 直膨式太陽能熱泵根際及空氣加溫方式 熱 能利用率高 節(jié)能效果明顯 連續(xù)陰天和連續(xù)晴天 所集熱能的利用率 分別達(dá)到了 和 整套系統(tǒng)的節(jié)能率 分別達(dá)到了 和 整套系統(tǒng)的性能性能系數(shù) 分別達(dá)到了 和 根際與空氣結(jié)合的加溫方式 加溫效果明顯 不同天氣條件下試驗(yàn)區(qū)的根際溫度在 以上 比對照區(qū)高 空氣溫度在 以上 比對 照區(qū)高 相對濕度在 以下 比對照區(qū) 低 直膨式太陽能熱泵集熱效率得到了提高 集 熱性能穩(wěn)定 不同天氣條件下集熱系統(tǒng)均能在設(shè)定 時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定集熱溫度目標(biāo) 且其集熱性能系數(shù) 其集熱效率 直膨式太陽能熱泵集熱性能系數(shù)與集熱時(shí) 間 太陽輻射強(qiáng)度 環(huán)境溫度和蓄熱水池水溫均有關(guān) 系 蓄熱水池水溫低于 時(shí) 集熱 系統(tǒng) 的 可 隨 太 陽 輻 射 強(qiáng) 度 增 大 至 蓄熱水池水溫低于 時(shí) 集熱系 統(tǒng)的集熱性能系數(shù)高于 以后 蓄熱水池 水溫高于 時(shí) 集熱性能系數(shù)由 最終降低至 根際與空氣結(jié)合的加溫方式不僅提高了所集熱 能的利用效率和溫室加溫效果 同時(shí)提高了集熱系 統(tǒng)的集熱性能 此外 根據(jù)集熱環(huán)境條件優(yōu)化集熱 運(yùn)行模式 可進(jìn)一步提高集熱系統(tǒng)的集熱性能 實(shí)現(xiàn) 溫室節(jié)能生產(chǎn) 為了豐富集熱運(yùn)行模式 下一步將 研究集熱系統(tǒng)在夜間的優(yōu)化運(yùn)行模式 本研究提出 的試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于溫室加溫 為此在接下來的研 究中應(yīng)涉及加溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以及對作物生長和產(chǎn)量 的影響 從而更全面的為直膨式太陽能熱泵和根際 及空氣結(jié)合的加溫方式在溫室中的推廣和應(yīng)用提供 理論依據(jù) 參考文獻(xiàn) 傅曉耕 溫室節(jié)能的設(shè)計(jì)與運(yùn)行研究 建筑節(jié)能 葉崇文 段茂春 徐娥 設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策探討 湖北 農(nóng)業(yè)科學(xué) 陳教料 基于模型優(yōu)化預(yù)測與流場分析的溫室能耗控制方法 杭州 浙江大學(xué) 楊其長 荷蘭溫室節(jié)能工程研究進(jìn)展 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室 園藝 馮廣和 溫室的節(jié)能問題 農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù) 溫室園藝 趙麗平 劉春旭 張連萍 趙忠良 寒冷地區(qū)現(xiàn)代溫室加溫系統(tǒng) 農(nóng)機(jī)化研究 徐剛毅 劉明池 李武 許超 武良 電鍋爐供暖日光溫室土壤加 溫系統(tǒng) 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 趙云龍 于賢昌 李衍素 賀超興 閆妍 碳晶電地?zé)嵯到y(tǒng)在日光 溫室番茄生產(chǎn)中的應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 年 第 卷 毛罕平 王曉寧 王多輝 溫室太陽能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研 究 太陽能學(xué)報(bào) 孫先鵬 鄒志榮 趙康 畢勝山 郭康權(quán) 太陽能蓄熱聯(lián)合空氣源 熱泵的溫室加熱試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 孫淑鈞 溫室加溫系統(tǒng)及存在問題 中國花卉園藝 閆彥濤 溫室平板太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究 楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 張日新 張躍峰 溫室節(jié)能技術(shù) 中國花卉園藝 李潔 王振輝 崔海亭 新型太陽能與熱泵復(fù)合供暖系統(tǒng)的研究 農(nóng)機(jī)化研究 江力 日光溫室冬季土壤加熱和空氣加熱效果研究 銀川 寧夏大學(xué) 于威 王鐵良 劉文合 張瑩 太陽能土壤加溫系統(tǒng)在日光溫室 土壤加溫中的應(yīng)用效果研究 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 李炳海 須暉 李天來 衛(wèi)向東 王欣欣 日光溫室太陽能地?zé)峒?溫系統(tǒng)應(yīng)用效果研究 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 方慧 楊其長 張義 基于熱泵的日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱 裝置試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 張義 楊其長 方慧 日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)試驗(yàn) 研究 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 李文 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果研究 北 京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 柯行林 楊其長 張義 方慧 和永康 張晨 主動(dòng)蓄放熱加熱基 質(zhì)與加熱空氣溫室增溫效果對比 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 第 期 和永康等 直膨式太陽能熱泵用于溫室番茄根際 空氣加溫的試驗(yàn)研究 周升 大跨度主動(dòng)蓄能型溫室太陽能熱泵增溫試驗(yàn)研究 北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 李振興 直膨式太陽能熱泵熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)化分析 青 島 山東科技大學(xué) 解苗苗 黨相兵 關(guān)欣 直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化 能源研究與信息 傅國海 劉文科 日光溫室甜椒起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培根區(qū)溫度 日變化特征 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 甘建紅 太陽能熱泵采暖系統(tǒng)的研究 天津 天津大學(xué) 方慧 張義 楊其長 盧威 周波 周升 日光溫室金屬膜集放熱 裝置增溫效果的性能測試 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 趙玉萍 鄒志榮 白鵬威 任雷 李鵬飛 不同溫度對溫室番茄生 長發(fā)育及產(chǎn)量的影響 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 傅國海 劉文科 日光溫室 種起壟覆膜方式對甜椒幼苗生長 的影響 農(nóng)業(yè)工程 趙方亮 帶有涂層蒸發(fā)器的直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究 合肥 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 責(zé)任編輯 劉迎春